光伏并网微逆变器关键技术分析

光伏并网微逆变器关键技术分析2010年11月11日来源：英伟力新能源科技(上海)有限公司作者：吴红飞[责任编辑：Aglaia]微逆变器区别于传统逆变器的特点微逆变器的设计考虑因素微逆变器的关键性技术引言：常见的光伏并网发电系统结构包括集中式、串式、多串式和交流模块式等几种方案。集中式、串式和多串式系统中，都存在光伏组件的串联和并联，因此系统的最大功率点跟踪时针对整个串并联光伏阵列，无法兼顾系统中每个光伏阵列，单个光伏阵列利用率低、系统抗局部阴影能力差，且系统扩展灵活性不够。光伏并网微逆变器(简称微逆变器)与单个光伏组件相连，可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网，具有以下优点：(1)保证每个组件均运行在最大功率点，具有很强的抗局部阴影能力；(2)将逆变器与光伏组件集成，可以实现模块化设计、实现即插即用和热插拔，系统扩展简单方便；(3)并网逆变器基本不独立占用安装空间，分布式安装便于配置，能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度的应用；(4)系统冗余度高、可靠性高，单个模块失效不会对整个系统造成影响。微逆变器的概念由来已久，但最初并没有引起人们的注意，近年来随着太阳能发电技术的发展以及技术的进步，使得微逆变器十分具有吸引力。美国加州Petaluma的Enphase从2008年开始微逆变器的商业化量产，并取得了不错的销售成绩，使得微逆变器获得了更广泛的认可，吸引了众多公司纷纷加入到微逆变器的研发行列，德国艾斯玛太阳能技术股份公司(SMASolarTechnology)2009年通过技术收购荷兰OKE-Services光伏系统电子开发商，进入了微逆变器市场。国内众多的光伏并网逆变器生产厂商主要从事大功率集中并网逆变器产品的开发，随着国内外微逆变器市场的日益火热，众多厂商也纷纷蠢蠢欲动，尝试开始微逆变器产品的开发，英伟力(Involar)新能源科技公司是国内最早从事微逆变器研究的公司，公司从2008年初开始微逆变器技术的开发，经过近两年的努力已完全自主掌握了微逆变器的核心技术，并于2010年5月份成功发布了其第一代产品MAC250，目前该款微逆变器产品已经推向市场。微逆变器不同于传统大功率集中式逆变器，本文重点分析微逆变器的关键性技术。微逆变器的特点及设计考虑因素微逆变器区别于传统逆变器的特点：（1）逆变器输入电压低、输出电压高单块光伏组件的输出电压范围一般为20~50V，而电网的电压峰值约为311V(220VAC)或156V(110VAC)，因此，微逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求微逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；而集中式逆变器一般为降压型变换器，其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压；（2）功率小单块光伏组件的功率一般在100W~300W，微逆变器直接与单块光伏组件相匹配，其功率等级即为100W~300W，而传统集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率，其功率等级一般在1kW以上。微逆变器的设计考虑因素：（1）变换效率高并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。（2）可靠性高由于微逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微逆变器具有较高的可靠性（3）寿命长光伏组件的寿命一般为二十年，微逆变器的使用寿命应该与光伏组件的寿命相当。（4）体积小微逆变器直接与光伏组件集成在一起，其体积越小越容易与光伏组件集成。（5）成本低低成本是产品发展的必然趋势，也是微逆变器市场化的需求。微逆变器的关键性技术（1）微逆变器拓扑微逆变器的特殊应用需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构，如全桥、半桥等拓扑，而应该选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑，除能够实现升降压变换功能外，还应该实现电气隔离；另一方面，高效率、小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。可选的拓扑方案包括：高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种，其中Flyback变换器拓扑结构简洁，控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案，目前Enphase、Involar（英伟力）等公司开发的微逆变器产品均是基于Flyback变换器。（2）高效率变换技术为了减小微逆变器的体积，要求提高逆变器的开关频率，而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、变换效率下降，因此小体积与高效率两者之间是矛盾的，高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法，软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。研究和开发简单有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微逆变器拓扑相结合是微逆变器开发需要解决的关键问题之一，据报道，英伟力公司引入谐振软开关技术有效改善了微逆变器的变换效率，其发布的MAC250微逆变器产品最高效率达到95%以上，CEC效率达到94.5%以上。（3）并网电流控制技术传统的集中式并网逆变器中一般采用电流闭环控制技术保证进网电流与电网电压同频同相，实现高质量的并网电流控制，如采用PI控制、重复控制、预测电流控制、滞环控制、单周期控制、比例谐振控制等控制方法，上述方法都需要采用电流霍尔等元件采样进网电流，进而实现并网电流的控制。由于微逆变器的小功率特色，为了降低单位发电功率的成本，且考虑到体积要求，开发新型的高可靠性、低成本小功率并网电流控制技术是微逆变器开发需要解决的另一个关键性问题。（4）高效率、低成本最大功率点跟踪(MPPT)技术光伏发电系统的效率为电池板的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三部分乘积，高效率MPPT技术对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。常见的MPPT算法包括开路电压法、短路电流法、爬山法、扰动观察法、增量电导法以及基于模糊和神经网络理论的智能跟踪算法等，上述MPPT方法中一般需要同时检测光伏输出侧电压和电流，进而计算出并网功率。微逆变器的光伏侧输入电压低，因此光伏侧的电流较大，如果采用电阻检测输入侧电流，对微逆变器的整机效率影响较大，而采用霍尔元件采样光伏侧电流则会增加系统成本及逆变器体积，因此针对微逆变器的特殊要求，需要开发新型的无需电流检测的高效率MPPT技术。据报道，英伟力公司研究了一种无电流传感器MPPT技术来适应微逆变器的应用需求，MPPT效果良好，跟踪精度达到99.9%以上。（5）孤岛检测技术孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能，是人员和设备安全的重要保证。针对微逆变器的特殊应用需求，开发简单、有效、零检测盲区、不影响进网电流质量的孤岛检测技术是微逆变器开发需要解决的一个重要课题。（6）无电解电容变换技术光伏组件的寿命一般为20~25年，要求微逆变器的寿命必须接近光伏组件，而电解电容式功率变换器寿命的瓶颈，要使微逆变器达到光伏组件的寿命，必须减少或避免电解电容的使用，因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微逆变器开发需要解决的另一个课题。（7）信息通信技术当多个微逆变器组成分布式发电系统时，系统需要实时收集每个微逆变器的信息，以实现有效的监测与管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技术作为保证，可以利用的通信技术包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技术等。英伟力微逆变器产品分析英伟力新能源科技(上海)有限公司最近发布的一款微逆变器产品MAC250主要参数如下：额定输出功率：180VA；峰值输出功率：220VA输入电压：20V~50V；输入电压：187VAC~242VAC；工作频率范围：49.5Hz~50.5Hz；最大效率：95%；CEC效率：94%工作环境温度：-40~65℃重量：2.4kg体积：240mm*138mm*35mm保修期：15年。从上述指标可知，该款微逆变器产品已经满足了上述设计和使用要求，变换效率等指标达到了集中式并网逆变器的技术水平。总结本文分析了微逆变器的发展现状，重点分析了微逆变器开发所需要解决的关键性问题，分析表明，微逆变器与传统重大功率集中并网逆变器存在明显的不同，为了掌握微逆变器的核心技术，需要解决包括逆变器拓扑、软开关、并网电流控制、MPPT等多个关键性核心技术。太阳能照明系统关键技术的研究2010年11月22日来源：《硅谷》作者：薛勇;毛明科;汪明健[责任编辑：doeboy]【中心议题】详细阐述太阳能照明系统的调光、驱动方式以及散热问题介绍了蓄电池的种类，容量的确定方法【解决方案】采用电流调节和脉冲宽度调制两种方式进行调光利用开关电源驱动LED提高散热性能0引言随着煤炭，石油，天然气等不可再生能源的日趋枯竭，能源问题己经成为制约人类经济社会发展的重要问题之一，太阳能作为无污染的可再生的绿色能源，越来越受到世界各国的青睐，充分开发利用太阳能是各国政府可持续发展的能源战略，是解决能源与环境保护的主要对策之一。目前，利用太阳能的有效途径就是将它转换成电能的光伏发电技术，而太阳能照明系统就是光电转换的一个重要用途。1太阳能照明系统的结构一般太阳能照明系统包括太阳能电池板，蓄电池，控制器和照明负载(LED灯)。在白天有阳光的时候，太阳能电池所产生的电量一部分是供给照明负载，一部分是储存在蓄电池当中。当晚上或则阴雨天气的时候，照明负载就完全由蓄电池来供电。由于光伏系统容易受外界的影响，所以配备一个控制器实现调节、控制、保护等功能。图一所列的是太阳能照明系统的框图。2照明负载(LED灯)随着各种不可再生能源的不断匾乏，寻求新能源是头等大事，但与此同时节约能源也是我们面临的重要的问题。在整个照明领域，以白炽灯为主力军的角色己经发生改变，目前备受人们关注的LED灯已经开始进入市场。它作为一种新型的绿色照明光源，势必会以独特的优势取代传统光源。2.1LED的特点。本系统中照明负载采用的是LED灯，它是一种能够将电能转化成化学能的半导体器件。它主要有以下几个特点:①LED的发光效率高，理论上分析，它的转换率可达到100%，是荧光灯的两倍，比白炽灯高10倍。②由于LED灯的特性是直流低压，而太阳能组件输出与蓄电池所储存的都是直流电压，故省去了交直流转换的逆变器，节约了成本。③寿命长，LED灯的理论寿命可长达10万小时。目前，国外的产业化的LED灯寿命在3一5万小时。④除此之外，它还有可靠稳定，寿命长，环保等特点。2.2LED的调光方式。LED的调光方式主要分为两种:①电流调节方式。LED具有类似二极管的正向电压特性曲线，所以LED的亮度由电流来控制。一般情况下，它随着电流的增大，亮度会增加，所以我们可以通过改变电流的大小来调节LED灯的亮度。但是此种调光方式，只有工作在某个特定的正向电流值的范围内，LED的亮度才与电流成正比。如果超出这个范围，LED就会变色，可能偏蓝或偏紫。同时，由于电流增大，相应的温度会升高，这会对LED器件造成损坏，影响其使用寿命。②脉冲宽度调制。它是在恒定电流和恒定功率的情况下，通过改变P姗信号的占空比来调节LED的亮度，所以就不会出现电流调节方式的变色和损坏器件等现象。如需要50%的亮度就提供50%的占空比的电流。2.3LED的驱动方式。LED驱动方式主要有电阻限流和恒流源两种工作方式。蓄电池在充放电时，电压和电流都存在着波动，而电阻限流的驱动方式缺点是，会随着蓄电池的这种变化致使LED灯的亮度发生改变，而且工作在此种方式下，附加的电阻会损耗很多的能量。正因如此，我们考虑恒流源驱动。前面所介绍LED的亮度，寿命等与电流有着直接的关系，所以恒流源驱动是最好的工作方式。其中，恒流源驱动又包括电荷泵和开关电源两种。电荷泵是以电容器为储能元件，利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端，而不需要附加电感。但它有个缺点，只能提供有限的输出电压，一般都低于输入电压的两倍，所以必须采用并联的驱动方式。开关电源是以电感为储能元件，有Boost(升压电路)，Buek(降压电路)，Buek一Boost(升压/降压电路)三种。它的工作方式是，先对电感进行充电，之后电感释放所储存